RU129706U1

RU129706U1 - PULSE X-RAY TUBE

Info

Publication number: RU129706U1
Application number: RU2012148882/07U
Authority: RU
Inventors: Борис Петрович Меркулов; Дмитрий Сергеевич Маханько; Дмитрий Евгеньевич Тетерин
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом с осесимметричным отверстием относительно острийного анода, направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием, отличающаяся тем, что в трубку введен газопоглотитель в виде, например, титановых бусинок, соединенных никелевой лентой, закрепленный по периметру внутренней поверхности корпуса в непосредственной близости от электродов, например, точечной сваркой.A pulsed x-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of an insulator made in the form of a hollow truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected to a window for outputting x-ray radiation and a cathode with an axisymmetric hole relative to the tip the anode directed towards the window, the output of the anode passing along the axis of the device in the cavity of the insulator and connected to its smaller base, characterized in that in the tube introduced getter in the form, for example, beads of titanium, nickel ribbon connected fixed along the perimeter of the inner surface of the housing in the vicinity of the electrodes, for example, spot welding.

Description

Полезная модель относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах, в частности для медицинской диагностики и лечения заболеваний, а также в других областях техники.The utility model relates to the field of x-ray technology and can be used in the development of pulsed x-ray tubes for use in small x-ray machines, in particular for medical diagnosis and treatment of diseases, as well as in other areas of technology.

Известна острофокусная импульсная рентгеновская трубка, состоящая из катода, включающего шайбу из термостойкого диэлектрика, на которой расположена гребенка, образованная металлической шайбой, имеющей радиальные прорези, расходящиеся от центра, с внутренним диаметром больше, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы, анода, предназначенного для торможения электронного пучка и генерации рентгеновского излучения, выполненного в виде стержня, заканчивающегося конической поверхностью, вершина которой имеет форму полусферы и проходит по оси отверстия диэлектрической шайбы, так чтобы торец анода выступал за плоскость диэлектрической шайбы, на которой установлена гребенка, на расстояние, равное величине радиуса полусферы токоввода для подачи высокого импульсного напряжения, герметичного корпуса, выполненного из изолирующего материала, с окном для вывода рентгеновского излучения [патент РФ №2174726, H01J 35/00, Н05G 1/02, 2001 г.].Known sharp-focus pulsed x-ray tube, consisting of a cathode, including a washer made of a heat-resistant dielectric, on which there is a comb formed by a metal washer having radial slots diverging from the center, with an inner diameter larger than the inner diameter of the dielectric washer, an anode designed to inhibit electronic beam and the generation of x-ray radiation, made in the form of a rod ending in a conical surface, the top of which has the shape of a hemisphere and a passage t along the axis of the hole of the dielectric washer, so that the end of the anode protrudes beyond the plane of the dielectric washer on which the comb is mounted, at a distance equal to the radius of the hemisphere of the current lead for supplying high pulse voltage, a sealed enclosure made of insulating material, with a window for outputting x-ray radiation [RF patent No. 2174726, H01J 35/00, H05G 1/02, 2001].

Такая конструкция обеспечивает пространственную равномерность рентгеновского излучения, стабильного от импульса к импульсу за счет множества источников электронов, равномерно расположенных по окружности в местах касания металлических концов гребенки с диэлектрической шайбой, где при подаче импульсного напряжения возникает высокая напряженность электрического поля, что вызывает разряд в микрозазорах между металлом и диэлектриком. К достоинству рентгеновской трубки следует отнести малый размер фокусного пятна 1,2 мм, что в 2-2,5 раз меньше, чем у рентгеновских трубок ИМА-2 и ИМА-5, используемых в большинстве импульсных рентгеновских аппаратах. Малый размер фокусного пятна позволяет осуществлять контроль объектов с повышенной разрешающей способностью за счет меньшей геометрической нерезкости.This design provides spatial uniformity of X-ray radiation, stable from pulse to pulse due to the many sources of electrons, evenly spaced around the circumference at the points of contact of the metal ends of the comb with a dielectric washer, where when applying a pulsed voltage there is a high electric field, which causes a discharge in microgaps between metal and dielectric. The advantage of the X-ray tube is the small focal spot size of 1.2 mm, which is 2-2.5 times smaller than the X-ray tubes IMA-2 and IMA-5 used in most pulsed x-ray machines. The small size of the focal spot allows you to control objects with high resolution due to less geometric blur.

Основным недостатком данной конструкции рентгеновской трубки является ее небольшой срок службы при работе в импульсных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, что связано с отсутствием в данной рентгеновской трубке хорошего теплоотвода, так как она выполнена в металлостеклянном исполнении и все металлические детали за исключением анода и катода изготовлены из прецизионного сплава (29НК), имеющего одинаковый со стеклом коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) с очень низкой теплопроводностью.The main disadvantage of this design of the X-ray tube is its short life when working in pulsed X-ray apparatus for defectoscopy of metal structures, which is associated with the absence of a good heat sink in this X-ray tube, since it is made in a metal-glass version and all metal parts except the anode and cathode are made of precision alloy (29NK), which has the same coefficient of linear thermal expansion (CTE) with glass with very low thermal conductivity.

Отсутствие в этой рентгеновской трубке хорошего теплоотвода значительно ограничивает срок службы при работе в жестких энергетических режимах. Внутренняя поверхность изолятора конструктивно не защищена от попадания продуктов эрозии материала электродов, что ограничивает электрическую прочность и соответственно долговечность. В процессе наработки происходит неравномерное напыление продуктов эрозии материала электродов, что вызывает неравномерное распределение электрического потенциала вдоль образующей изолятора. В данной конструкции импульсной рентгеновской трубки в качестве изолятора используется полый стеклянный цилиндр. Из-за неравномерного напыления продуктов эрозии материала электродов при подаче на электроды высоковольтного импульса ускоряющего напряжения на внутренней поверхности изолятора создается критическая напряженность электрического поля, при которой возникает импульсная корона, которая сильно разогревает изоляционную (стеклянную) оболочку прибора, вызывая газовыделение и ухудшая вакуум.The absence of a good heat sink in this x-ray tube significantly limits the service life when operating in harsh energy modes. The inner surface of the insulator is not structurally protected from the ingress of products of erosion of the electrode material, which limits the electric strength and, accordingly, durability. In the process of operating time, uneven deposition of the erosion products of the electrode material occurs, which causes an uneven distribution of the electric potential along the generatrix of the insulator. In this design of a pulsed X-ray tube, a hollow glass cylinder is used as an insulator. Due to the uneven deposition of the erosion products of the electrode material, when an accelerating voltage is applied to the electrodes of a high voltage pulse, a critical electric field is created on the inner surface of the insulator, at which a pulsed corona appears, which strongly heats the insulation (glass) shell of the device, causing gas evolution and worsening vacuum.

В этой конструкции импульсной рентгеновской трубки пространственная равномерность рентгеновского излучения обеспечивается только в начале наработки до образования металлизации на поверхности диэлектрической шайбы от внутренней кромки отверстия до мест касания металлических концов гребенки (катода). Наличие металлизации на поверхности диэлектрической шайбы со стороны контакта с катодом и отсутствия центровки отверстия в ней (диэлектрическая шайба имеет скользящий контакт с металлической гребенкой и не имеет фиксации с осевой симметрией относительно оси анода) происходит неравномерная выработка материала анода вокруг оси в плоскости касания концов гребенки с поверхностью диэлектрической шайбы, что нарушает пространственную равномерность рентгеновского излучения и увеличивает диаметр фокусного пятна.In this design of a pulsed X-ray tube, spatial uniformity of X-ray radiation is ensured only at the beginning of operating time until metallization is formed on the surface of the dielectric washer from the inner edge of the hole to the places where the metal ends of the comb (cathode) touch. The presence of metallization on the surface of the dielectric washer from the side of contact with the cathode and the lack of centering of the hole in it (the dielectric washer has sliding contact with the metal comb and does not have fixation with axial symmetry relative to the axis of the anode) uneven production of the anode material around the axis in the plane of contact of the ends of the comb with the surface of the dielectric washer, which violates the spatial uniformity of x-ray radiation and increases the diameter of the focal spot.

Для увеличения ресурса рентгеновской трубки в этой конструкции предусмотрен газопоглотитель в виде объемного кольца из пористого титана, расположенного на значительном расстоянии от электродной системы и соединенного с анодом посредством материала 29НК (ковара), имеющего очень низкую теплопроводность, поэтому газопоглотитель слабо греется в процессе работы и не эффективно работает.To increase the life of the X-ray tube, this design provides a getter in the form of a volumetric ring made of porous titanium located at a considerable distance from the electrode system and connected to the anode by means of 29NK (Kovar) material, which has very low thermal conductivity, therefore, the getter is slightly heated during operation and does not works efficiently.

Известна также импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом, через отверстие в центре которого в направлении окна проходит острийный анод, первый защитный экран в виде цилиндрического стакана с отверстием в центре дна, соединенный с корпусом и ограничивающий объем, в котором соосно расположены острийный анод и второй защитный экран в виде диска, вывод анода, проходящий через отверстие в дне первого экрана в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием [Л.Я.Морговский, Е.А.Пеликс. Импульсная рентгенография. Аппараты серии «Арина», ООО «Спектрофлэш», Санкт-Петербург, 1999 г.].Also known is a pulsed X-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of an insulator made in the form of a hollow truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected to the window for outputting X-ray radiation and the cathode through an opening in the center of which, in the direction of the window, there passes a point anode, the first protective screen in the form of a cylindrical glass with an opening in the center of the bottom, connected to the body and limiting the volume m, in which the point anode and the second protective screen in the form of a disk are coaxially located, the output of the anode passing through the hole in the bottom of the first screen into the cavity of the insulator and connected to its smaller base [L.Ya. Morgovsky, E.A. Peliks. Pulse radiography. Devices of the Arina series, Spectroflash LLC, St. Petersburg, 1999].

Преимуществом данной рентгеновской трубки является ее простота, низкая себестоимость и малый вес. В данной конструкции цилиндрический экран и защитный экран в виде диска, расположенный на выводе анода, защищают внутреннюю поверхность изолятора от напыления продуктами эрозии материала электродов. Однако для обеспечения электропрочности рентгеновской трубки цилиндрический экран не может быть глубоко внедрен в объем изолятора, поэтому его экранирующие действия неэффективны. К тому же он выполнен из ковара (29НК), обладающего низкой теплопроводностью, и не имеет контакта с внешней средой, так как находится внутри вакуумной оболочки. В процессе работы рентгеновской трубки цилиндрический экран сильно разогревается из-за плохого теплоотвода во внешнюю среду, поэтому продукты эрозии материалов электродов плохо осаждаются на внутренней поверхности цилиндрического экрана, запыляя при этом нижнюю часть изолятора ближе к месту соединения изолятора с выводом анода, что значительно снижает электрическую прочность рентгеновской трубки, ограничивая ее долговечность. Наличие защитного экрана в виде диска, размещенного на выводе анода около его острия, не может обеспечить достаточную экранировку внутренней поверхности изолятора от продуктов напыления.The advantage of this X-ray tube is its simplicity, low cost and low weight. In this design, a cylindrical screen and a protective screen in the form of a disk located at the output of the anode protect the inner surface of the insulator from sputtering by the products of erosion of the electrode material. However, to ensure the electrical strength of the X-ray tube, a cylindrical screen cannot be deeply embedded in the volume of the insulator, therefore, its shielding actions are ineffective. In addition, it is made of Kovar (29NK), which has low thermal conductivity, and has no contact with the external environment, since it is located inside the vacuum shell. During operation of the X-ray tube, the cylindrical screen is very hot due to poor heat removal to the external environment, therefore, the erosion products of electrode materials are poorly deposited on the inner surface of the cylindrical screen, dusting the lower part of the insulator closer to the junction of the insulator with the anode terminal, which significantly reduces the electrical X-ray tube strength, limiting its durability. The presence of a protective shield in the form of a disk located on the anode terminal near its tip cannot provide sufficient shielding of the insulator's inner surface from spraying products.

К недостаткам следует отнести большой размер фокусного пятна (2,5-3,0 мм), определяемый сечением анода в плоскости расположения катода и ограниченную наработку.The disadvantages include the large size of the focal spot (2.5-3.0 mm), determined by the cross section of the anode in the plane of the cathode and limited operating time.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом, через отверстие в центре которого в направлении окна проходит острийный анод, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием [патент РФ №2446508, H01J 35/00, 2012 г. - прототип].Closest to the proposed utility model is a pulsed x-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of an insulator made in the form of a hollow truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected to the window for outputting x-ray radiation and a cathode, through a hole in the center of which in the direction of the window passes a point anode, the output of the anode passing along the axis of the device in the cavity of the insulator and connected to its PWM base [RF patent №2446508, H01J 35/00, 2012 - prototype].

В данной конструкции импульсной рентгеновской трубки выполнение ее внутренних элементов с заданной конфигурацией и с заданными геометрическими размерами предотвращает прямое воздействие продуктов эрозии материала электродов на внутреннюю поверхность изолятора, что снижает осаждение продуктов эрозии, обеспечивая, таким образом, сравнительно большую долговечность. Диаметр фокусного пятна такой трубки определяется диаметром сечения конусной части анода в плоскости расположения катода и лежит в пределах 1,5-2,5 мм.In this design of a pulsed X-ray tube, the implementation of its internal elements with a given configuration and given geometric dimensions prevents the direct influence of the erosion products of the electrode material on the inner surface of the insulator, which reduces the deposition of erosion products, thus providing a relatively greater durability. The diameter of the focal spot of such a tube is determined by the diameter of the cross section of the conical part of the anode in the plane of the cathode and lies in the range of 1.5-2.5 mm.

Задачей данной полезной модели является создание импульсной рентгеновской трубки с большим ресурсом работы в заданном эксплуатационном режиме.The objective of this utility model is to create a pulsed x-ray tube with a large resource of work in a given operating mode.

Указанный технический результат достигается тем, что в известную импульсную рентгеновскую трубку, содержащую металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом с осесимметричным отверстием относительно острийного анода, направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием, введен газопоглотитель выполненный, например, в виде титановых бусинок, соединенных никелевой лентой, и закрепленный по периметру внутренней поверхности корпуса в непосредственной близости от электродов, например, точечной сваркой.The specified technical result is achieved by the fact that in a known pulsed x-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of the insulator, made in the form of a hollow truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected to the output window x-ray radiation and a cathode with an axisymmetric hole relative to the point anode directed toward the window, the output of the anode passing along the axis of the device in the cavity of the insulator and with Unification with its smaller base introduced getter arranged, e.g., in the form of beads of titanium, nickel ribbon connected and secured along the perimeter of the inner surface of the housing in the vicinity of the electrodes, for example, spot welding.

Импульсная рентгеновская трубка предлагаемой конструкции позволяет получить большую долговечность в заданном эксплуатационном режиме, путем введения газопоглотителя, расположенного в непосредственной близости от электродов.The pulsed x-ray tube of the proposed design allows to obtain greater durability in a given operating mode by introducing a getter located in the immediate vicinity of the electrodes.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле полезной модели.The analysis of the prior art, carried out by the applicant, including a search by patents and scientific and technical sources of information, made it possible to establish that no analogue was found, characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. Comparison with the prototype made it possible to identify a set of essential features in relation to the perceived technical result set forth in the utility model formula.

Следовательно, заявленная полезная модель отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.Therefore, the claimed utility model meets the requirement of “novelty” under current law.

Заявленное техническое решение поясняется чертежом.The claimed technical solution is illustrated by the drawing.

На фиг.1 показан один из вариантов заявленной импульсной рентгеновской трубки.Figure 1 shows one of the variants of the claimed pulsed x-ray tube.

Импульсная рентгеновская трубка (фиг.1) содержит металлический корпус 1 в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора 2, выполненного в виде полого конуса и расположенного вне корпуса 1, другое основание корпуса 1 соединено с окном 3 в виде полусферы для выхода рентгеновского излучения и через держатель 4 с вольфрамовым катодом 5 с осесимметричным отверстием, через которое в направлении окна 3 проходит острийный анод 6 из тантала, при этом катод 5 уложен на держателе 4 и закреплен тонким металлическим кольцевым диском 7 посредством точечной сварки, газопоглотитель 8, выполненный в виде титановых бусинок, соединенных никелевой лентой 9, расположенный в непосредственной близости под держателем катода 4 и прикрепленный точечной сваркой к внутренней поверхности корпуса 1 по его периметру, два защитных экрана 10 и 11, закрывающие внутреннюю поверхность изолятора 2 от напыления продуктами эрозии материалов электродов, вывод анода 12, проходящий по оси прибора и соединенный с меньшим основанием изолятора 2, штенгель 13 для откачки рентгеновской трубки.The pulsed x-ray tube (Fig. 1) contains a metal housing 1 in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to the large base of the insulator 2, made in the form of a hollow cone and located outside the housing 1, the other base of the housing 1 is connected to the window 3 in the form of a hemisphere for x-ray radiation exit and through the holder 4 with a tungsten cathode 5 with an axisymmetric hole through which the tip anode 6 of tantalum passes in the direction of the window 3, while the cathode 5 is laid on the holder 4 and secured with a thin metal a ring-shaped disk 7 by means of spot welding, a getter 8 made in the form of titanium beads connected by a nickel tape 9, located in the immediate vicinity under the cathode holder 4 and spot-welded to the inner surface of the housing 1 along its perimeter, two protective shields 10 and 11 covering the inner surface of the insulator 2 from sputtering of electrode materials by erosion, the output of the anode 12, passing along the axis of the device and connected to the smaller base of the insulator 2, a plug 13 for pumping X-ray tubes ubki.

При подаче ускоряющего импульса высокого напряжения на анод 6 (катод 5 заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля с максимальным значением в промежутке между кромкой отверстия в катоде 5 и точками поверхности анода, лежащими в окрестности линии пересечения с плоскостью расположения катода, вызывающая взрывную эмиссию электронов с микроострий катода 5 с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 6. В результате соударения электронов с анодом 6 и их торможении происходит генерация рентгеновского излучения.When a high voltage accelerating pulse is applied to the anode 6 (cathode 5 is grounded), a high electric field is created in the interelectrode space with a maximum value in the gap between the edge of the hole in the cathode 5 and the surface points of the anode lying in the vicinity of the intersection line with the cathode plane, causing explosive electron emission from the micropoints of the cathode 5 with the formation of a stream of electrons moving towards the anode 6. As a result of the collision of electrons with the anode 6 and their deceleration, generation x-ray radiation.

В процессе работы импульсной рентгеновской трубки в результате взрывной эмиссии электронов с эмиссионных центров, расположенных на кромке отверстия в катоде, и бомбардировки поверхности анода электронами происходит распыление материала электродов с газовыделением, ухудшающим вакуум. Газопоглотитель, выполненный из пористого материала и расположенный в непосредственной близости от электродов, разогревается до температуры, достаточной для эффективного поглощения им продуктов газовыделения, что позволяет поддерживать высокий вакуум в приборе и способствует увеличению ресурса в заданном эксплуатационном режиме работы.In the process of operation of a pulsed X-ray tube as a result of explosive emission of electrons from emission centers located on the edge of the hole in the cathode and bombardment of the surface of the anode by electrons, the material of the electrodes is atomized with gas evolution that degrades the vacuum. A getter made of a porous material and located in the immediate vicinity of the electrodes is heated to a temperature sufficient to effectively absorb gas evolution products, which helps maintain a high vacuum in the device and helps to increase the resource in a given operating mode.

На основании заявленной полезной модели был изготовлен макетный образец импульсной рентгеновской трубки с использованием базовой конструкции ИРТП3-150Д, выпускаемой ОАО "Плазма" г.Рязань с газопоглотителем в виде титановых бусинок, соединенных никелевой ленточкой и закрепленных по периметру внутренней поверхности корпуса в непосредственной близости от электродов точечной сваркой. Проведены сравнительные испытания с серийно выпускаемой трубкой ИРТП3-150Д в рентгеновском аппарате "АРИНА-3М", которые подтвердили правильность технических решений в заявленной полезной модели для увеличения ресурса в заданном эксплуатационном режиме. Ресурс макетного образца импульсной рентгеновской трубки составил 5·10⁶импульсов, что практически в два раза превышает ресурс трубки ИРТП3-150Д, равный 3·10⁶ импульсов.Based on the claimed utility model, a prototype of a pulsed X-ray tube was manufactured using the basic design of IRTP3-150D manufactured by Plazma of Ryazan with a getter in the form of titanium beads connected by a nickel ribbon and fixed around the perimeter of the inner surface of the housing in close proximity to the electrodes spot welding. Comparative tests with a commercially available IRTP3-150D tube in an ARINA-3M X-ray apparatus were carried out, which confirmed the correctness of the technical solutions in the claimed utility model to increase the resource in a given operating mode. The resource of the prototype pulsed X-ray tube amounted to 5 · 10 ⁶ pulses, which is almost twice the resource of the IRTP3-150D tube, equal to 3 · 10 ⁶ pulses.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с большим ресурсом работы в заданном эксплуатационном режиме.Thus, the claimed technical solution allows you to create a pulsed x-ray tube with a large resource in a given operating mode.

Claims

A pulsed x-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of an insulator made in the form of a hollow truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected to a window for outputting x-ray radiation and a cathode with an axisymmetric hole relative to the tip the anode directed towards the window, the output of the anode passing along the axis of the device in the cavity of the insulator and connected to its smaller base, characterized in that in the tube introduced getter in the form, for example, beads of titanium, nickel ribbon connected fixed along the perimeter of the inner surface of the housing in the vicinity of the electrodes, for example, spot welding.